0 概述

過去的10年中，我國(guó)鋁材尤其是鋁型材發(fā)展迅速，在航天、汽車、建筑、電子和包裝等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，表面處理工藝的要求也隨之提高，由傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化等電源發(fā)展到現(xiàn)在的脈沖電源，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的缺陷，例如電源工藝單一、表面處理不均勻、著色顏色不理想、損耗大等，高品質(zhì)表面處理電源的需求日益明顯。

以晶閘管為核心的相控技術(shù)以其成熟性和高可靠性在金屬表面處理行業(yè)處于不可替代的地位。再配以高精度快速控制系統(tǒng)，就可以形成一種工藝多樣性、復(fù)雜性、高效節(jié)能的整流電源，從而提高鋁型材硬質(zhì)膜的品質(zhì)。

本文提出一種基于FPGA+PowePC的雙脈沖電源系統(tǒng)，應(yīng)用于以晶閘管為功率器件的整流電源中，該控制系統(tǒng)精度高，速度快、自動(dòng)化接口豐富等優(yōu)勢(shì)，滿足鋁型材“外包裝”過程中各種不同類型的電流或電壓波形，包括脈沖波、鋸齒波、連續(xù)直流波、直流疊加波、斷續(xù)直流波、正反向脈沖波、周期換向波、12脈波等，同時(shí)豐富的接口滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求。

1 雙脈沖電源系統(tǒng)控制策略

雙脈沖電源主回路原理如圖1所示，變壓器次級(jí)為六相半波雙反星型，晶閘管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙橋反并方式，在控制系統(tǒng)的作用下，進(jìn)行柔性輸出。

圖1 雙脈沖電源主回路

目前，數(shù)字集成電路制造技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)更新?lián)Q代的愈來(lái)愈快。集成度愈來(lái)愈高，功能愈來(lái)愈復(fù)雜?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陳列控制器（FPGA）和以PowePC系列CPU為代表的高性能精簡(jiǎn)指令架構(gòu)（RISC）處理器日趨完善，性價(jià)比高，這兩種器件都具有體系結(jié)構(gòu)清晰、邏輯單元靈活、集成度高、適用范圍廣、功耗低、開發(fā)工具先進(jìn)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在航天、軍事、工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)系統(tǒng)的需求，充分利用FPGA和PowePC各自優(yōu)勢(shì)，配合完成調(diào)節(jié)和自動(dòng)化接口功能。FPGA時(shí)序控制和并行處理能力突出，用于完成DSP算法、時(shí)序邏輯處理、頻率測(cè)量、同步檢測(cè)、同步采樣、FFT、脈沖形成、通道冗余接口等；PowePC處理數(shù)據(jù)吞吐能力優(yōu)異，用于完成PID運(yùn)算、邏輯保護(hù)、CAN、RS232、以太網(wǎng)通訊等?？刂葡到y(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

1）數(shù)字量輸入隔離單元對(duì)外部輸入信號(hào)進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2）數(shù)字量輸出隔離單元將內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換成繼電器干接點(diǎn)輸出；

3）信號(hào)調(diào)理:將外部輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成-12V~+12V信號(hào)，并生成相應(yīng)的方波信號(hào)、同步脈沖信號(hào)等，將DA輸出轉(zhuǎn)換成0~5V。

4）自動(dòng)化接口即通訊接口，提供CAN接口、RS232接口、以太網(wǎng)接口，全部采用光隔離方式，降低系統(tǒng)通訊誤碼率，保證自動(dòng)化生產(chǎn)穩(wěn)定、可靠。

2.1 數(shù)據(jù)交換

PowerPC系統(tǒng)時(shí)鐘刷新周期小于1ms，F(xiàn)PGA和PowerPC之間采用LOCAL BUS總線，完成一次所有數(shù)據(jù)信息交換時(shí)間小于1ms，保證兩者數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2.2 AD和DA

傳統(tǒng)AD和DA采用保持器和多路開關(guān)，缺點(diǎn)速度慢、精度低、功耗大。本文AD和DA采用多路16位芯片，與FPGA之間采用并行讀取方式。其中AD采樣與脈沖形成單元結(jié)合，控制AD采樣的起點(diǎn)和終點(diǎn)，保證了精度和速度，降低了功耗，大大提升系統(tǒng)性能。以工頻50HZ為例，一個(gè)脈沖周期是3.3ms，該系統(tǒng)可以在3.3ms時(shí)間內(nèi)完成大于1000個(gè)采樣點(diǎn)，DSP核運(yùn)算，F(xiàn)PGA和CPU數(shù)據(jù)交換，一次PID運(yùn)算。

2.3 脈沖形成和工作方式

脈沖形成采用三路同步信號(hào)，在同步信號(hào)任意一相斷線，系統(tǒng)都可以自動(dòng)恢復(fù)同步信號(hào)，保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。脈沖產(chǎn)生使用實(shí)時(shí)控制信號(hào)，每一路脈沖都使用當(dāng)前脈沖作為移相依據(jù)，一次產(chǎn)生正向6路脈沖，反向6路脈沖。再配合不同的切換方式和時(shí)間，就可以產(chǎn)生多種工作方式，符合鋁型材“外包裝”復(fù)雜工藝要求。

2.4 頻率補(bǔ)償

由于同步處理使用了RC移相電路，在頻率不同時(shí)，移相角不同，為保證10HZ~100HZ頻率系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，需要對(duì)RC移相電路進(jìn)行補(bǔ)償。本系統(tǒng)由FPGA直接對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，保證RC移相電路前后的同步信號(hào)相位一致。

2.5 看門狗監(jiān)測(cè)

采用一款具有看門狗功能的電源管理芯片，提供2秒鐘打狗信號(hào)，該打狗信號(hào)由CPU完成，但是操作系統(tǒng)需要一個(gè)過程，系統(tǒng)初始上電由FPGA來(lái)進(jìn)行打狗，50秒后將打狗權(quán)交給CPU，當(dāng)CPU出現(xiàn)死機(jī)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，并且閉鎖脈沖，保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

本文系統(tǒng)具有對(duì)等冗余模塊，使用冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙通道熱備。對(duì)等冗余模塊互連，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和備用狀態(tài)的自動(dòng)切換，不需要第三方單元參與，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。備用通道實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)行通道，當(dāng)運(yùn)行通道發(fā)生故障強(qiáng)行退出時(shí)，備用通道自動(dòng)切換到運(yùn)行通道，實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)擾動(dòng)切換。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)搭建好僅提供裸機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，需要嵌入式實(shí)時(shí)軟件的支持，方可充分調(diào)動(dòng)硬件資源。本文采用RT－Linux嵌入式硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功地應(yīng)用于航天飛機(jī)的空間數(shù)據(jù)采集、科學(xué)儀器測(cè)控和電影特技圖像處理等廣泛領(lǐng)域。

FPGA程序流程如圖3所示，PowerPC程序流程如圖4所示，為實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，采用周期PID運(yùn)算，在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA完成12路脈沖輸出，再根據(jù)鋁型材表面處理工藝需求，完成各個(gè)工作方式；PowerPC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行，在運(yùn)行調(diào)節(jié)中對(duì)工作方式進(jìn)行靈活組態(tài)，可輸出各種特色的波形。

圖3 FPGA流程圖

圖4 CPU流程圖

4 實(shí)際應(yīng)用

以工頻電50HZ為供電，以晶閘管導(dǎo)通周期為控制周期，即3.3ms。設(shè)計(jì)換向周期、工作時(shí)間、正向脈沖數(shù)和反向脈沖數(shù)等參數(shù)靈活可變，方便用戶使用，輸出以下典型波形：

連續(xù)直流輸出

直流疊加輸出，其中基值脈沖6個(gè) 峰值脈沖2個(gè)

周期換向輸出，其中正向脈沖12個(gè)，反向脈沖1個(gè)

周期換向輸出，其中正向脈沖12個(gè)，反向脈沖數(shù)6個(gè)

簡(jiǎn)單介紹了我國(guó)鋁型材表面處理的生產(chǎn)發(fā)展和工藝進(jìn)步，深入分析了我國(guó)表面處理電源的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了表面處理工藝的技術(shù)問題，再?gòu)沫h(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、降低消耗和提高表面處理膜品質(zhì)等可持續(xù)發(fā)展的新高度，對(duì)鋁型材表面處理工藝的多樣性、復(fù)雜性和產(chǎn)品質(zhì)量的深入思考，進(jìn)而提出了一種基于FPGA+PowePC雙脈沖電源系統(tǒng)，用于建筑鋁型材、工業(yè)鋁板、炊具制品等行業(yè)鋁合金的表面氧化、著色、電泳工藝及生產(chǎn)線控制和數(shù)據(jù)記錄，使鋁型材“外包裝”處理電源具有低碳、高效、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，并且提供豐富的生產(chǎn)線自動(dòng)化接口。通過可編程和嵌入式器件的協(xié)同設(shè)計(jì)，輔助于合理的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于FPGA+PowerPC的雙脈沖電源系統(tǒng)（雙脈沖：正向6路脈沖，反向6路脈沖），該系統(tǒng)將可控硅相控技術(shù)發(fā)揮極致，大大提升了鋁型材表面處理膜的品質(zhì)，達(dá)到了低碳、高效、節(jié)能的目的，豐富的自動(dòng)化接口適合各種生產(chǎn)線流程，符合現(xiàn)代鋁型材“外包裝”技術(shù)的發(fā)展方向。